柯伊伯帶揭示太陽系演化歷程

據美國《科學新聞》雙周刊網站近日報道，1992年夏天，在夏威夷的一個山頂上觀測星空的兩位科學家發現，一個小光點正在緩慢穿過雙魚座。這個不起眼的天體———位於海王星之外10億多公里處———將改寫我們對太陽系的認識。在已知行星的軌道之外，不是一片虛空。實際上，那裡潛伏着許多東西。

科學家們發現了柯伊伯帶———太陽系形成時期遺留下來的冰凍天體構成了一個甜甜圈形狀的區域。

提供新見解

研究人員對柯伊伯帶了解得越多，我們太陽系的起源和演化過程就變得越清晰。對柯伊伯帶的冰凍天體仔細進行的觀測活動，讓我們能更清晰地了解包括地球在內的行星的形成過程。對這一區域開展的研究活動總共披露了數以千計的這類天體，它們被稱為“柯伊伯帶天體”。研究顯示，在早期太陽系中，有許多進行“彈球遊戲”的行星。

開啟這一切的那個不起眼天體是一塊直徑約為250公里的冰和岩石的混合體。30年前的8月，它首次被人發現。

上世紀80年代末，行星科學家戴維·朱伊特和天文學家劉麗杏花費數年時間進行了一項不同尋常的探索。

他們最終發現了天體1992 QB1，這讓世界開始認識到柯伊伯帶。該區域以天文學家傑拉德·柯伊伯的名字命名。不過，令人意想不到的是，柯伊伯曾預測，太空中的這一區域是空的。在20世紀50年代，他提出，任何曾經存在於那裡的天體都會被引力驅逐到太陽系更遙遠的地方。

換句話說，柯伊伯認為柯伊伯帶是不存在的。事實證明他錯了。

如今，研究人員知道，柯伊伯帶從距離太陽約30個天文單位的地方———海王星軌道附近———延伸到距離太陽約55個天文單位的地方。朱伊特說，柯伊伯帶就像一個膨脹的圓盤，“乍看像一個胖胖的甜甜圈”。

柯伊伯帶中的冰凍天體是氣體和塵埃構成的漩渦的殘留物。太陽和行星就是從這個漩渦中誕生的。天文學家梅蕾迪絲·麥格雷戈說，現在“剩下了很多東西，它們沒能形成行星”。當這些宇宙殘留物中的一件被海王星等行星的引力推入太陽系內層並接近太陽時，它就變成了我們所說的彗星。每200年或更長時間繞太陽運行一周的彗星通常來自太陽系內更遙遠的冰凍天體“倉庫”———“奧爾特雲”。

以科學術語來表達的話，柯伊伯帶是一個“岩屑盤”。科學家發現，一些遙遠的恆星系統也包含“岩屑盤”。麥格雷戈說：“它們同我們的柯伊伯帶有着直接相似性。”

改寫教科書

2015年，“新視野”號探測器飛過冥王星，科學家得以首次近距離觀察一個柯伊伯帶天體。“新視野”號在隨後幾年裡發回的照片比科學家之前對冥王星及其衛星的觀測結果詳細數千倍。這些天體不再是一些模糊的像素點，而是呈現出豐富的景觀：它們有着噴冰的“火山”和深深的鋸齒狀峽谷。“新視野”號團隊成員馬克·布伊說：“我為我們在冥王星取得的成就感到欣喜若狂。情況真是再好不過了。”

但“新視野”號在柯伊伯帶的收穫不止於此。2019年元旦，在冥王星軌道之外近15億公里的地方，該探測器飛經另一個柯伊伯帶天體。它探測到的情況令人驚訝。“天空”星體———其名字Arrokoth在北美印第安部落語言中意為“天空”———看上去就像是連在一起的兩個煎餅。從一端到另一端，這個天體長約35公里。它可能曾經是兩個獨立的天體。這兩個天體發生過溫和的碰撞，然後連在了一起。“天空”星體怪異的結構將幫助解答天文學中的一個重要問題：氣體和塵埃如何凝結在一起並形成更大的天體？

一種名為“星子積聚”的由來已久的理論認為，一系列碰撞是較大天體的形成原因。加拿大維多利亞大學和加拿大國家研究理事會的天文學家J·J·卡韋拉爾斯說，小塊的物質會反覆相撞並粘在一起，進而形成較大的天體。但卡韋拉爾斯說，這裡存在一個問題。隨着天體變得大到足以產生強大的引力，它們彼此靠近時會加速。他說：“它們以過於快的速度相互碰撞，就不會粘在一起。”對於像“天空”星體（尤其是它還具備雙葉結構）這樣的大型天體來說，通過一連串碰撞而成形是不同尋常的。

研究人員現在認為，更有可能的情況是，“天空”星體是在一個名為“引力不穩定性”的過程中誕生的。在這種情況下，密度恰好比周圍環境要高的一團物質會通過吸入氣體和塵埃來變大。這個過程可以在數千年的時間裡形成行星，而“星子積聚”需要花數百萬年時間才能形成行星。卡韋拉爾斯說：“行星形成的時間尺度徹底改變了。”

如果“天空”星體是這樣形成的，那麼太陽系中的其他天體可能也不例外。2014年發現了“天空”星體的布伊說，這可能意味着，太陽系某些部分的形成速度比先前認為的要快得多，“圍繞太陽系如何形成，‘天空’星體已經改寫了教科書”。

需更多發掘

迄今觀測到的情況讓科學家們更加渴望近距離研究另一個柯伊伯帶天體。“新視野”號目前仍在柯伊伯帶穿行，但要識別一個新天體並安排一次“會面”，剩下的時間不多了。這個探測器目前距離太陽53個天文單位。它正在靠近柯伊伯帶的外緣。幾組天文學家正在利用世界各地的望遠鏡尋找會與“新視野”號錯身而過的柯伊伯帶新天體。布伊說：“我們當然會尋找。我們最希望的就是從另一個天體旁飛過。”

通過用地球上最大的幾台望遠鏡來觀測柯伊伯帶，天文學家還將獲得柯伊伯帶的廣角圖像。利用位於夏威夷冒納凱阿火山———朱伊特和劉麗杏就是在那座山上發現了1992 QB1———的加拿大-法國-夏威夷望遠鏡，天文學家最近圓滿完成了“外太陽系起源巡天”任務。該任務記錄了800多個此前不為人知的柯伊伯帶天體，使已知的柯伊伯帶天體總數達到約3000個。

麥格雷戈說，這項編目工作將揭示這些天體繞太陽運行的有趣模式。柯伊伯帶天體不是均勻分佈的，而是傾向於聚集在一起。她說，這說明，這些天體過去曾受到引力的猛烈推動。

大多數天文學家認為，推動它們的天體非太陽系內的氣態巨行星莫屬。在21世紀頭10年中期，科學家首次提出，在太陽系歷史的初期，海王星和土星等行星可能曾將一些天體推向或推離太陽。麥格雷戈說，這種活動可以解釋許多柯伊伯帶天體的軌道為何驚人地相似。她說：“這些巨行星攪動了太陽系外層的所有物質。”

英國貝爾法斯特女王大學的天文學家梅格·施萬布說，若要完善太陽系的早期歷史，需要對更多的柯伊伯帶天體進行觀測。研究人員預計，定於明年開始的一項天文學新研究將再找到約4萬個柯伊伯帶天體。人們正在智利中北部建設薇拉·魯賓天文台。它將每隔幾晚就用其32億像素的攝像儀器反覆拍攝整個南半球的天空，持續10年。施萬布說，這項名為“時空遺產調查”的任務將徹底改變我們對早期太陽系演化過程的認識。施萬布是“時空遺產調查”任務太陽系科學合作組織的聯合主席。